Više nije pitanje postoje li izvan Sunčeva sustava planeti ili ne, već kako se često javljaju i prate li baš sve zvijezde.

Nemojmo se razočarati, ali nijedan od ovih planeta još nije snimljen niti je viđen kroz teleskop. Iako ih ne vidimo, o njima mnogo znamo. Od najbližega planeta svjetlost putuje 17 godina, a od najudaljenijega više stotina godina. Svaki se planet nalazi uz neku zvijezdu. Još se ne može utvrditi ima li ih uz svaku vrstu zvijezda, jer su se istraživači okomili samo na zvijezde koje su sličnog fizičkog stanja i starosti kao Sunce.

Učinili su to da bi bili sigurniji u uspjeh i uštedjeli vrijeme. Može se očekivati da jednostruke zvijezde Sunčeve starosti i površinske temperature imaju planete koji su nastali od istog materijala iz kojeg je nastalo Sunce.

Istraživački timovi astronoma usredotočili su se na 120 zvijezda koje sliče Suncu a nisu predaleko; većina zvijezda uz koje su dosad nađeni planeti bliže su od 60 godina svjetlosti, nekoliko ih je na 150 godina svjetlosti, a postoje naznake postojanja mnogo udaljenijih planeta.

Zašto se uz zvijezde javljaju planeti?

Postanak planeta uz zvijezdu prirodan je korak u razvoju svemirskih tijela. Ova je spoznaja stara tek nekoliko desetljeća jer su se najprije morale dobro utemeljiti predodžbe o nastanku i razvitku zvijezda.

Veoma savjesnim praćenjem zvjezdanih svojstava uspostavljene su razvojne veze između pojedinih vidova zvijezda. Sudeći po razvoju drugih zvijezda, Sunčev je sustav nastao u spiralnom kraku galaksije Kumova Slama. U mračnom su oblaku hladnoća i gustoća pogodovale privlačnoj sili gravitacije koja je prevladala, tako da se bezoblična tvar zgrudvala u Sunce i planete umjesto da se rasprši u svemirskom prostoru.

Rađanje zvijezda promatralo se samo u duhu, pomoću dijagrama i matematičkih formula, sve dok ga prije pet godina Hubbleov svemirski teleskop nije počeo promatrati izravno: u mješovitim maglicama, u kojima su rastresito izmiješani blješteći vrući plin “zapaljen” zvijezdama i sklupčani tamni oblaci hladne tvari s mnogo praha. Iz maglica nalik čahurama izranjaju blijedorumeni zvjezdoliki oblici. U Velikoj Orionovoj maglici svemirski je teleskop otkrio na desetke malih izduženih oblačića, oblika diskova, koje iznutra zagrijava mlada zvijezda. Oblak je ustvari vrtlog tvari koji kruži oko mlade zvijezde. Gledamo prasliku Sunčeva sustava.

Najranija dob zvijezda u Orionovoj maglici računa se na 1–5 milijuna godina. Starije, “naprednije” zvijezde već su se dobro ražarile i odagnale magličastu koprenu.

U magličastim diskovima mogu nastajati planeti. Nakon što se novonastala zvijezda stabilizira, što znači da se njezino gorivo troši jednoliko i sjaj zvijezde je stalan, sljedećih 10–100 milijuna godina njezina se maglica postupno sabire u hladna tijela – planete – i gubi u prostor. U takvom se stanju nalazi zvijezda b Pic (Beta Pictoris, zviježđe Slikar), čija je starost procijenjena na 10 milijuna godina. Njezina maglica, koja se proteže u duljinu od 100 astronomskih jedinica, ima 1000 puta manju masu od same zvijezde, a pretežno se sastoji od hladnog plina i tek 1% od praha. Odbijajući svjetlost zvijezde, maglica zrači svim bojama. Ako planeti nisu još nastali, od tolike se mase može izgraditi cio Jupiter. Mnoge mlade zvijezde imaju pratioca. Ukoliko pratilac ne skupi dovoljno mase da bi postao zvijezdom, postaje smeđim patuljkom ili planetom. Zvijezde, smeđi patuljci i planeti razlikuju se po masi. Smeđi patuljak nema termonuklearni izvor energije i masa mu je manja od 1/12 Sunčeve mase; planet je tijelo čija je masa manja od 1/100 Sunčeve mase. Jupiter ima masu jednaku 1/1000 mase Sunca, a Zemljina masa još je 318 puta manja.

Kako otkriti planete

Prvi planeti nađeni izvan Sunčeva sustava pripadaju pulsaru – neobičnoj zvijezdi, nimalo sličnoj Suncu. Otkrio ih je pomoću najvećih svjetskih radioteleskopa radioastronom Alexander Wolszczan. Otkriveni pratioci nalaze se uz veoma neobičnu zvijezdu koja se obrće strahovito brzo, a nastaje eksplozivnim putem pri kraju zvjezdanog razvoja. To pokazuje da tamna tijela – planeti i sateliti – mogu nastajati u veoma različitim zvjezdanim kombinacijama.

Postoji više načina za otkrivanje planeta. Dosad je poslužio samo jedan način, pri kojemu planet ne treba ni vidjeti. Kao nevidljivi pratilac, planet svojom gravitacijskom silom poremećuje zvijezdu i ona se nama približava odnosno od nas udaljava u taktu revolucije planeta. Brzina zvijezdina približavanja i odmicanja određuje se snimanjem zvijezdina spektra i mjerenjem pomaka spektralnih linija prema modrom i crvenom. To je Dopplerov pomak valnih duljina kojim se otkriva gibanje izvora svjetlosti u doglednici. Ovom se tehnikom može izmjeriti mala brzina od 5 m/s. Metoda ne daje sve nužne podatke; osim perioda revolucije i udaljenosti planeta od zvijezda, određuje se tzv. donja granica mase. To je najmanja vrijednost mase, s time da su moguće sve veće vrijednosti. Da bi se odredila sama masa, trebalo bi poznavati položaj planetske staze u prostoru, što Dopplerova metoda ne nudi. Ista se metoda koristi i kod spektroskopski dvojnih zvijezda, pa i kod onih kod kojih se obje sastavnice vide.

Druga metoda koristi točna mjerenja položaja zvijezde u prostoru – planet se opet ne vidi, ali zbog njegova obilaženja, zvijezda se periodički pomiče. Ovom se metodom može odrediti i položaj staze pratioca u prostoru, a time planetska masa. Tom se metodom do sada nije uspjelo naći planet, već jedino smeđe patuljke. Planet bi se, nadalje, mogao otkriti prilikom pomračenja zvijezde – ukoliko mu je staza tako položena da se giba ispred nje; na sličan se način proučavaju pomrčinske dvojne zvijezde. Zamišljena je još jedna metoda, koja bi se okoristila zvijezdama kao gravitacijskim lećama. U načelu, najjednostavnije bi bilo izravno snimiti planet, ali tome znanost još nije dorasla. Svjetlost planeta, tj. odbijena svjetlost zvijezde, više je milijuna pa sve do milijardu puta slabija od svjetlosti zvijezde. Zvijezda svojom svjetlošću skriva planete.

Višestruki planetski sustavi

Dok je u ostalih zvijezda pronađen po jedan planet, trostruki planetski sustav. Najprije su 1996. godine pioniri ove vrste istraživanja, G. Marcy i R. P. Butler, otkrili planet do zvijezde u And (Ipsilon Andromede), koja se u zviježđu vidi prostim okom kao zvjezdica 4. prividne veličine. Udaljena je 53 godine svjetlosti, a prema fizičkim se svojstvima prosuđuje da je nešto mlađa od Sunca.

Najprije je otkriven najbliži planet, udaljen od zvijezde samo 9 milijuna kilometara. Giba se kružnom stazom i stalno je osunčan veoma snažnim zračenjem zvijezde, oko koje obiđe za nekoliko dana. Nakon što je izmjerena brzina približavanja i udaljavanja zvijezde i ustanovljen taj planet, pomak spektralnih linija zvijezde i dalje je ukazivao na poremećaje iz kojih su otkrivena daljnja dva planeta. Drugi se planet giba nešto izduženom stazom, tako da se odmiče do udaljenosti na kojoj je u odnosu na Sunce smještena Zemlja (ta udaljenost iznosi jednu astronomsku jedinicu); period obilaska iznosi 242 dana. Treći je planet znatno izdužene staze, a za obilazak mu trebaju tri i pol godine.

I u slučaju ovog sustava planeta pokazalo se da ima planeta jako blizu zvijezde, mnogo bliže no što je Merkur do Sunca.

Kako se mogu formirati “vrući Jupiteri”?

Dosadašnja istraživanja bila su ciljana odnosno usmjeravana na zvijezde koje su slične vrste kao i Sunce; to znači da imaju otprilike jednaku masu, da su jednake veličine i površinske temperature. U takvom slučaju nije pogrešno smatrati da su se zvijezde slično razvijale, zajedno sa svojom pramaglicom iz koje su nastale i one i njihovi pratioci, planeti.

I što je ustanovljeno?

Da je sličnost s rasporedom planeta u Sunčevu sustavu vrlo mala. Istina je da se planeti javljaju uz veliki broj zvijezda. To je pregledom uzoraka od 120 zvijezda sličnih Suncu ustanovljeno već u tridesetak slučajeva, ali raspored je sasvim neočekivan. Nezamislivo je da se planeti veličine Jupitera mogu naći toliko blizu zvijezde da je gotovo dotiču. Planet najbliži zvijezdi u And udaljen je od nje 9 milijuna kilometara, planet zvijezde HD209458 udaljen je 7 milijuna kilometara, a to je otprilike 10–15 polumjera zvijezde!

Planete Sunčeva sustava dijelimo na stjenovite (zemljane) i plinovite. Stjenoviti nastaju bliže zvijezdi, gdje su temperature zbog jakog zračenja bile toliko visoke da su se lako hlapivi plinovi odvajali od stjenovita materijala pa je na kraju preostalo čvrsto tlo, dok plinoviti nastaju podalje od zvijezde, u područjima niskih temperatura. Merkur, Venera, Zemlja i Mars su od čvrstog tla; Jupiter, Saturn, Uran i Neptun su znatno veći i uglavnom plinoviti. To je bitna razlika između planeta nalik Zemlji i planeta nalik Jupiteru.

Vrlo složeni proračuni doveli su i do mogućih kombinacija planeta – po veličini i po udaljenosti od zvijezde. Kada su nađeni prvi ekstrasolarni planeti, ustanovljeno je da su im svojstva malo slična našim planetima. To su većinom planeti poput Jupitera ili nekoliko puta veće mase, a pritom se nalaze na bilo kojim udaljenostima od zvijezde. Nijedna teorija nije predvidjela toliko mnogo divovskih planeta. Kako su mogli nastati? Neki su zvijezdi mnogo bliže nego Merkur Suncu, a pritom su veliki barem kao Jupiter. Kada bi se Jupiter našao u istom položaju, za kratko bi se vrijeme sav rasplinuo jer je izgrađen od vodika i helija. Stoga su bliski planeti njegove veličine prozvani “vrućim Jupiterima”. Jesu li to zaista planeti?

Ovaj nalaz će prodrmati sve dosadašnje teorije o nastanku planeta. No ono što se, primjerice, vidi kod zvijezde u And očito su pratioci bez vlastitog izvora svjetlosti, a kod zvijezde HD209458 nađeno je tijelo koje je u stanju pomračiti zvijezdu, što znači da je mase manje od Jupitera.

Posebno je pitanje “vrućih Jupitera”. Dosadašnja je predodžba da plinoviti planeti poput Jupitera mogu – zbog temperaturnih uvjeta – nastati samo na udaljenostima većim od 4 astronomske jedinice. U tim područjima plinovi se kondenziraju, lede se tvari od kojih nastaju veliki planeti. Primjer u And pokazuje da su sva tri planeta kojima masa odgovara pojmu divovskog planeta unutar granice od 4 astronomske jedinice. Kako su tu mogli nastati?

Jesu li migrirali? Ostaje otvorenom mogućnost da su nastali u hladnim područjima, odakle su međudjelovanjem u još nestabiliziranom sustavu doputovali u bliže krajeve. No mogućnost nastanka plinovitog planeta ne rješava pitanje kako plinovite kugle mogu opstati u blizini zvijezde, gdje ih zračenje zagrijava mnogo žešće no što Sunce zagrijava Merkur.

Tranzit planeta

I konačno, nađen je planet kojemu se o putanji znade mnogo više. Kod zvijezde HD209458 planet se giba tako da prelazi ispred nje. U našem sustavu su poznati prelasci Merkura i Venere ispred Sunčeva kruga; tada se oni vide ispred svijetlog Sunčeva lika kao male mrljice. Ta se pojava u astronomiji naziva tranzitom. Planet je u odnosu na zvijezdu jako malen, pa stoga zvijezdi oduzme malo svjetlosti. Međutim, zbio se uzbuđujući događaj.

Najprije su astronomi Geoffrey Marcy i Paul Butler 5. listopada 1999. godine na temelju gibanja zvijezde utvrdili da ona mora imati pratioca. Nevidljivi se pratilac kretao vrlo malom stazom i oko zvijezde obilazio s periodom od 12 h i 33 min. Oni su već prije toga otkrili 18 takvih ekstrasolarnih planeta i o tome odmah obavijestili Grega Henryja iz druge zvjezdarnice koja je raspolagala teleskopima za točno praćenje zvjezdanog sjaja. On je već 7. listopada ustanovio da se svaka 3 d 12 h i 33 minute sjaj zvijezde smanji za 1,7 %. Naravno, jednak je bio i period pomračenja i trenutak kada se planet nalazio s nama vidljive strane zvijezde – upravo kako je otkrićem od 5. listopada predviđeno. Planetska staza u prostoru je tako položena da se planet giba u ravnini koja prolazi Zemljom, pa sa Zemlje promatramo pomračenja zvijezde. Sam planet ne vidimo, no vidimo da planet oduzme zvijezdi malo njezina sjaja.

Najvažniji rezultat ovakvog opažanja je u tome što je ne samo izmjerena najmanja moguća masa planeta već i točna masa planeta. U ovom slučaju, nađen je planet čija je masa 0,63 Jupiterove mase. U našem sustavu, Saturn ima masu veličine 0,3 Jupiterove mase. Daljnji podaci koji su proistekli iz opažanja su veličina planeta i njegova gustoća. Planet je 1,6 puta veći od Jupitera, ali je zato mnogo manje gustoće. Jupiter je gušći od vode, a ovaj je planet pet puta manje gustoće od vode.

Zvijezda HD209458 ima svojstva gotovo jednaka kao i Sunce. Nalazi se u zviježđu Pegaz i na nebu je vrlo blizu zvijezde 51 Peg kraj koje je 1995. također metodom Dopplera otkriven ekstrasolarni planet. No to je čista slučajnost, jer se 51 Peg nalazi u prostoru mnogo bliže, udaljena 50 godina svjetlosti, dok je HD209458 udaljena 153 godine svjetlosti, kako je to izmjerio astrometrijski satelit Hipparcos.

Za astronome sada nastupaju dani studiranja. Tako velik planet, s malom gustoćom, mora biti izgrađen pretežno od plinova. Teško je razumjeti da plinovita kugla može dugo vremena opstati kraj jake zvijezde, od čijeg je središta udaljena 7 milijuna kilometara, dok je zvijezda slična Suncu, promjera od milijun i pol kilometara. Ili je planet u astronomski nedavno doba dolutao u zvijezdinu blizinu (što se u Sunčevu sustavu ne može ni zamisliti), ili je sasvim drukčije građe no što se misli. Možda je njegov kuglasti oblik izgrađen kao roj kamenja okupljenog u hrpi, nevezanih odlomaka stijenja, kao što je Saturnov prsten roj čvrstih tijela. Planet može opstati samo pod djelovanjem privlačnih sila svih svojih dijelova.

Teleskopi za otkrivanje planeta

Planeti veličine Zemlje još nisu otkriveni. Svi su znatno veći, otprilike kao Jupiter ili još veći! Zar nema manjih? O njima se ne može ništa pouzdano reći dok se ne pronađe način za njihovo otkrivanje. Premaleni su da bismo ih našli; njihovo se prisustvo ne zapaža današnjim teleskopima i korišćenjem danas poznatih postupaka.

U planu su veliki teleskopi koji će biti temeljeni na posve novim principima. Osnovna je poteškoća u snimanju planeta ta što je njihov slabi sjaj prekriven jarkim sjajem zvijezde. Manji je problem ugledati planet na dovoljnom razmaku od zvijezde, a mnogo veći je slabost njegove svjetlosti. Zato se grade veliki teleskopi odnosno kombinacije velikih teleskopa. Veličina površine zrcala važna je za prikupljanje svjetlosti, što znači da se slabiji objekt može zabilježiti većom površinom objektiva.

Razmak krajeva zrcala, tj. promjer kao takav, kod jednostrukog teleskopa ima ulogu u definiciji slike; postiže se veća oštrina slike i bolje se zapažaju pojedinosti uz veći promjer. Teleskopi buduće generacije, specijalizirani za otkrivanje planeta, moraju odgovoriti objema zadaćama te stoga moraju biti veliki, dobro složeni i koristiti najnovija tehnička dostignuća. Moraju snimati slabašne objekte s velikim razlučivanjem. Planiranje i izgradnja teleskopa na površini Zemlje zahtijeva petnaestak godina, a teleskopa u putanji dvadesetak-tridesetak godina.

Studija o mogućnosti izgradnje Velikog dvogleda (LBT, Large Binocular Telescope) završena je 1989. godine. Teleskop će se ustvari sastojati od dva usporedna teleskopa međusobno povezana optičkim putovima na kojima će se nalaziti tzv. adaptivni elementi, tj. “čistači” slike. Svaki će od usporednih teleskopa imati zrcalo promjera 8,4 m, a središta tih zrcala bit će razmaknuta 14,4 m. Površina obaju objektiva bit će zamjena za jedno jedinstveno kružno zrcalo promjera 11,8 m, a oštrina slike odgovarat će jednom zrcalu koje bi imalo promjer od 22,8 m – koliko će biti razmaknuti krajevi obaju zrcala. Pritom se koriste zasade interferometrije, tj. valne optike, prema metodi radioastronoma Ronalda Bracewella. Svjetlost koja pristiže s oba zrcala ujedinjuje se tako da se dijelom poništi svjetlost jednog dijela objekta – zvijezde, a pojača svjetlost drugog dijela objekta, a to je upravo planet.

Dvostrukim zemaljskim teleskopom trebali bi se vidjeti planeti veličine Jupitera. Da bi se snimili planeti veličine Zemlje nužno je mnogostruke teleskope lansirati u putanju, a snimke dobivati u infracrvenom području spektra, koje može dati dokaze o postojanju planetskih atmosfera. Izrađuju se stoga planovi da se složeni optički sustavi lansiraju u stazu oko Sunca, na udaljenosti Jupitera, gdje je Sunčevo zračenje slabo pa instrumenti mogu djelovati na niskim temperaturama. Problem, naime, nije samo u slabom zračenju planeta pri drugim zvijezdama, već i u vlastitom zračenju instrumenata, posebno u infracrvenom području spektra. Svako tijelo zrači zbog svoje topline; tako topli instrumenti mogu pokvariti sliku svemirskog objekta.

Tražilac terestričkih planeta (TPF, Terrestrial Planet Finder) trebao bi se naći u putanji koncem prvog desetljeća 21. stoljeća. Pronađe li taj instrument planet veličine Zemlje, opažanja će se proširiti spektralnom analizom kojima je zadaća da odrede kemijski sastav atmosfere, na temelju kojega se može mnogo reći o uvjetima za nastanak, razvoj i održanje života.